高速铁路无砟轨道主要病害分析与无损检测

陈 伟

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116000）

0 引言

目前，无砟轨道在国内高速铁路建设中有着非常广泛的应用。因此，无砟轨道的病害分析以及无损检测，对高速铁路的安全与稳定运行具有至关重要的意义。由于技术层面因素的影响，高速铁路无砟轨道的运行过程中依然存在着方方面面的问题与不足。为有效规避这种运行风险，并且对无砟轨道运行过程中存在的问题进行及时处理，需要结合现代无损勘测技术手段对高速铁路无砟轨道的病害成因进行分析，从而提升轨道整体的运行稳定性与安全性。

1 高速铁路无砟轨道情况评估的重要意义

随着现代科学技术的不断发展与进步，高速铁路也实现了技术层面的优化与完善。其中，无砟轨道目前已经成为我国高速铁路轨道运行的重要模式，并且在全国范围内得到了广泛的应用。在高速铁路无砟轨道的实际运行过程当中，轨道的平顺性以及安全性能对于轨道的正常运行起着非常关键的作用。然而，由于受到多方面人为以及环境因素的影响，高速铁路无砟轨道在投入运行之后会出现不同程度的病害问题，对轨道的稳定性以及安全性都具有非常不利的影响。因此，为了有效规避以及解决高速铁路无砟轨道出现的病害问题，需要建立起一套完善的轨道评估与整治体系，避免可能出现的安全问题，并且对无砟轨道运行过程中存在的安全问题进行及时合理的处理，保障高速铁路无砟轨道运行的安全性及稳定性，促进我国高速铁路无砟轨道的长远发展。目前，针对高速铁路无砟轨道运行的特殊性，主要采用的是相对安全的病害无损检测法。高速铁路无砟轨道整治与评估体系的建立，对于我国高速铁路的整体运行与发展具有十分重要的现实意义，因此需要相关部门以及人员给予充分的关注与重视，为高速铁路的安全稳定运行奠定坚实的基础。

2 高速铁路无砟轨道主要病害分析

2.1 正常无砟轨道

分析高速铁路无砟轨道的常见病害之前，首先需要明确正常性能的无砟轨道运行情况。一般而言，正常无砟轨道在检测过程中，可以显示出非常明显的界面分层结构，包括轨道板层、基床表层以及砂浆层。同时，正常的无砟轨道在进行地质雷达监测时，会呈现出光滑平整的电磁波形，轨道板内侧面的电磁脉冲反射也可以实现非常清楚的观测。此外，在正常的高速铁路无砟轨道中，配筋粗细程度均匀稳定。稳定均一的信号波形，表明轨道内部混凝土的密实性良好，轨道各层之间没有出现间隙与孔洞，轨道的性能良好且正常，可以保证高速铁路的稳定与安全运行。

2.2 病害成因

目前，国内运行的高速铁路无砟轨道主要包括板式以及双块式两大类型，这两种轨道在实际运行过程中产生病害的原因也呈现出多元化的特质。一般而言，出现轨道病害的原因主要是混凝土浇筑过程中存在气泡、轨道底板破裂、轨道层间孔洞裂隙以及基床层面出现裂隙等。在进行轨道上层混凝土浇筑过程中，下层混凝土附着的粉尘、沉渣等杂质需要进行完全的清理扫除，以防止混凝土内部出现孔洞与裂隙，降低无砟轨道的安全性能。此外，轨道混凝土浇筑的时间间隔不宜过长，防止不同层面的混凝土之间出现难以融合的问题。这些问题在前期施工过程中，需要加大监管力度，否则在高速铁路正式投入运行后，强大的冲击力度以及负载会引起严重轨道病害的发生，对高速铁路无砟轨道的整体运行造成严重危害。

2.3 常见病害类型

2.3.1 砂浆层裂隙与损坏

目前国内的高速铁路无砟轨道的砂浆层主要采用结构单一、不含配筋的混凝土，这种单一结构的混凝土构造导致轨道在实际运行承重的情况下，容易产生轨道砂浆层的破损与裂隙[1]。其中，在轨道混凝土浇筑均匀性较差的位置，轨道的损坏与裂隙成为非常容易出现的病害。

2.3.2 轨道层配筋不均

在高速铁路无砟轨道混凝土配筋时，由于配筋位置交错、混凝密实性较差以及配筋粗细不均等原因，在轨道正式投入运行后，会对轨道整体的承重以及轨道各层之间的结构位置造成不良影响，最终影响轨道层的运行性能，降低轨道的平滑性与负载强度。

2.3.3 轨道板内部结构损坏

在高速铁路无砟轨道前期混凝土浇筑过程中，由于混凝土密实性不佳等多种因素的影响，在轨道各层之间会形成位置的交错以及区域结构稳定性降低。由于实际运营过程给高速铁路无砟轨道带来的高强度负载，钢筋结构之间错开的位置以及密实性较差的部分可能会在巨大压力下演变成破损的孔洞以及裂缝，最终引发十分严重的安全问题。

2.3.4 轨道层间结构破损

在上层混凝土浇筑过程中，可能由于砂浆层粉尘、沉渣等没有进行彻底清理，造成砂浆层与轨道板之间出现裂隙或孔洞。尤其在轨道承受高速负载的情况下，在砂浆层与轨道板之间会出现层间裂缝与损坏[2]。对于纵深的裂隙，由于长期承载高负荷的压力，可能会出现裂缝的贯穿与断裂，在恶劣的气象条件下会造成非常不利的后果。例如，在降水环境中，雨水从轨道的贯穿裂隙中流入，影响轨道的整体结构安全，同时由于高速铁路无砟轨道的特殊性，对于渗透轨道内部的雨水很难进行清除，这对轨道的使用寿命及运行安全都将造成非常不利的影响。

2.3.5 轨道板表面磨损

高速铁路在实际运行中必须保证轨道板表面的平整与光滑，然而由于施工过程中存在的诸多问题，会导致轨道板平整性受损。在正式投入使用后，由于较高的负载与重力，导致轨道板出现破损甚至无法使用，从而对高速铁路的安全运行造成严重危害。

3 高速铁路无砟轨道的无损检测方式

目前，我国对于高速铁路无砟轨道常用的无损检测方法主要包括地质雷达法、多道瞬态瑞雷面波法、冲击回波法以及地震映像法[3]。不同的检测方法所适应的环境背景与作用特点存在着一些差异，因此在选择高速铁路无砟轨道的无损检测方法时，要充分考虑不同检测方法的特性，选择最优的无损检测技术手段，提升高速铁路无砟轨道病害无损检测的效能。

3.1 地质雷达法

地质雷达法在高速铁路无砟轨道无损检测中的应用最为广泛。地质雷达法主要是通过向目标物发射电磁脉冲信号，一般多采用频率较高的电磁波，通过连续发射高频电磁脉冲，对目标物的特性进行勘测[4]。在连续的高频电磁脉冲传播过程中，遇到存在电性差异的物体表面时，通常会发生反射与透射。电磁脉冲信号接收器则将反射的电磁波信号进行接收与记载。一方面，通过接收器接收的电磁波信号的频率、波幅以及波形等要素，可以对目标物体的特性进行判断分析，从而得出目标物的特征。另一方面，根据接收器接收到电磁波信号的间隔时间以及该频率电磁波在目标介质中传播的速度，可以对目标物的深度进行推断与计算。地质雷达法对于高速铁路无砟轨道中混凝土内部的裂隙孔洞以及配筋结构的病害检测具有着非常重要的意义，因此也是进行相关病害检测的首选技术手段。然而，由于轨道板内配筋的影响，电磁信号比较容易发生衰减，因而对于轨道板与机床层之间界面的检测效果不理想，难以产生清晰的检测信号。

3.2 多道瞬态瑞雷面波法

瞬变电磁法的检测原理主要是利用物体质点之间惯性与弹性的相互作用，从而对体波产生干涉，然后在物体界面与内部进行波的传播，进一步衍生出面波。其中，由于面波的能量特点，通常利用面波进行目标物的检测与勘察，从而实现检测过程中信噪比的有效提升。同时，瑞雷波会沿着地球表面进行扩散与传播，瑞雷波的传播深度主要取决于瑞雷波的波长，而传播的速度则主要与瑞雷波的频率相关。瑞雷波的这种传播特性被称为面波传播的频散，这也是面波勘探检测的重要原理。然而，受到测量精度的影响，当前的多道瞬态瑞雷面波法对板式高速铁路无砟轨道的病害检测相对受限。

3.3 冲击回波法

冲击回波法是指通过发生弹性冲击时瞬时产生的应力波在目标物内部进行传播，并且在裂隙与孔洞的位置发生波的反射，这种反射波会造成结构表面发生位移，这一位移可以被设置的接收器记录，并且产生电压与时间相关的信号，再经过一系列转换，最终得到振幅与频率图形，对目标物的内部结构进行反映[5]。通过对振幅与频率图形的分析，可以得到目标物的厚度以及内部破损的位置深度。冲击回波法对于板式高速铁路无砟轨道离缝病害的检测具有非常重要的意义。一般而言，冲击回波对于目标物不同的介质之间阻抗的差异具有较高的灵敏性，因而在存在离缝病害的板式轨道的离缝界面会发生强度较大的反射，这一反射波的信号可以通过接收器以及传感器呈现，最终实现板式高速铁路无砟轨道离缝病害的无损检测。

3.4 地震映像法

地震映像法主要是针对于较浅层的地震勘测方法，因此在应用过程中存在着一定程度的局限性[6]。地震映像法是从反射波勘测技术衍生出来的勘测方法，主要是通过发射固定偏移距的信号对剖面的目标物进行勘察，再通过接收器对反射波的传播时间以及放置在地表的各个接收器之间的位置数据，对目标物的深度进行推断与勘测。显然，地震映像法也无法满足板式高速铁路无砟轨道离缝相关的病害检测。

4 结束语

受到发展时间的限制，目前我国高速铁路无砟轨道的病害无损检测依然处于相对滞后的阶段，相关勘测经验也较为欠缺。由于高速铁路运行过程中的高负荷以及高速度特性，轨道表面以及内部存在的小问题也会成为威胁轨道安全运行的大危害。因此，需要对高速铁路无砟轨道的常见病害建立完善的认知，在前期施工过程中进行科学合理的规避。同时，对轨道进行定期的无损检测，及时排除轨道运行过程中存在的问题，保证轨道的安全与稳定运行。